不同凝灰岩粉掺量的水工混凝土性能研究

周 爽

（辽宁省北票市下府水利服务站，辽宁 北票 122113）

近年来，水利事业的快速发展，使得水利工程建设对矿物掺合料的需求量急剧增大，特别是东北地区面临着严重的矿粉、粉煤灰短缺问题，市场上矿物掺合料供不应求，价格居高不下。为加快转变原材料短缺的局面，结合当地特点寻找性能稳定、价格低廉的矿物掺合料已势在必行[1-3]。

我国东北部的凝灰岩(火山碎屑岩)储量丰富，将其破碎、球磨后替代部分水泥，既能够有效解决混凝土成本增加和当地矿物掺合料短缺的问题，还可以在一定程度上减轻环境污染压力[4]。一般地，凝灰岩内部含有较多的无定型玻璃体和铝、硅等元素，其火山灰活性明显。关于凝灰岩国内诸多学者开展了广泛研究，有学者利用沸石化凝灰岩、钙质凝灰岩探讨了制备环境友好型凝胶材料和水工混凝土的可能性；UZAL等在水泥中掺入火山灰质材料，发现特定细度和水胶比下掺55%火山灰质复合水泥与纯水泥具有相当的120d抗压强度，并提出与火山灰效应的关系[5-7]。

本研究将凝灰岩破碎、球磨至合适的比表面积，试验分析了水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性、抗冻抗渗性受凝灰岩粉掺量的影响，从微观上利用压汞法探讨了混凝土掺凝灰岩粉后的孔隙结构，旨在为水工混凝土中凝灰岩的资源化利用提供一定借鉴。

1 试验方案

1.1 原材料

水泥：大连天瑞水泥有限公司生产的P·O 42.5级通用硅酸盐水泥，比表面积320m2/kg，标稠用水量24%，化学成分如表1所示。

凝灰岩粉：来源于辽宁丹东地区，将凝灰岩破碎、球磨至比表面积350m2/kg，450m2/kg的粉末，化学成分如表1所示。

表1 凝灰岩粉和水泥的化学成分 %

粗、细骨料：粗骨料用天然花岗岩碎石，粒径5～20mm，密度2.6g/cm3，含泥量0.5%，细骨料用浑河河砂，细度模数2.8，最大粒径4.75mm，密度2.4g/cm3，含泥量2.0%。

外加剂：试验用XK-540P型聚羧酸高效减水剂，掺量取胶凝材料用量的2.0%，含固量15.1%，减水率25%。

拌合水：当地自来水。

1.2 配合比设计

试验采用等质量的方式，用凝灰岩粉取代10%、20%、30%的水泥，配合比设计如表2所示。其中J0代表基准组，M1、M2代表比表面积350m2/kg，450m2/kg的凝灰岩粉。

表2 配合比设计

1.3 试验方法

依据《水工混凝土试验规程》推荐的快速硫酸盐侵蚀法、快速冻融试验法和相对渗透性试验法测定水工混凝土性能，其中抗硫酸盐侵蚀试样为100mm×100mm×100m，每组试样3个；快速冻融试件为400mm×100mm×100m，每组试样3个，相对渗透性试件尺寸为高150mm×下口径185mm×上口径175mm截头圆锥体，每组6个试样。采用设计配合比拌制混凝土，拆模成型后标养至规定龄期依次开展相应试验。

采用MIP全自动压汞仪进行水工混凝土压汞试验，将标养28d的试样劈裂取中心区样，控制水泥浆颗粒直径不超过5mm，将试样完全浸入无水乙醇，促使水泥水化终止，然后用真空干燥箱(温度40～50℃)干燥24h，冷却至室温后按操作流程开展压汞试验。

2 结果与分析

2.1 抗渗抗冻性

水工混凝土抗渗性受不同凝灰岩粉掺量的影响，如图1所示。

图1 掺凝灰岩粉的相对渗透系数

由图1可知，水工混凝土中掺凝灰岩粉可以有效改善其抗渗性。对于比表面积350m2/kg的凝灰岩粉，水工混凝土的相对渗透系数随着凝灰岩粉掺量的增加而增大，但都低于J0基准组。究其原因，虽然凝灰岩粉取代水泥后减少了C-S-H凝胶数量，但C-S-H凝胶空间结构的复杂性以及基体材料内部的曲折性、孔隙长度明显增加，外界水分的渗透路径得到一定程度的延伸，外界水的渗透阻力随之增大[8-9]。因此，水工混凝土中掺30%以下的凝灰岩粉，有利于减小相对渗透系数，从而增强其抗渗性能。此外，掺量相同情况下，M2-20组(凝灰岩粉比表面积450m2/kg)低于M1-20组(凝灰岩粉比表面积350m2/kg)的相对渗透系数，说明细度越高则凝灰岩粉改善抗渗性能的效应越优。

水工混凝相对动弹模量、质量损失率受不同凝灰岩粉掺量的影响，如图2所示。

图2 掺凝灰岩粉的质量损失率与相对动弹模量

由图2可知，对于比表面积350m2/kg的凝灰岩粉，水工混凝土的质量损失率随着凝灰岩粉掺量的增加整体呈上升趋势，而相对动弹模量呈波动下降趋势；掺10%、20%凝灰岩粉时，水工混凝土的相对动弹模量都在65%以上，质量损失率均不超过5%，该掺量下的水工混凝土抗冻等级(F300)与基准混凝土相当，究其原因是掺入适量的凝灰岩粉可以填充内部的孔隙，使得水分迁移和渗透受阻，水结冰膨胀的冻胀力以及试样的动弹模量损失、质量损失减小[10]；掺30%凝灰岩粉时，水工混凝土的相对动弹模量显著减小，而质量损失率明显增大，其抗冻等级(F200)低于基准对照组(F300)，究其原因是掺过多的凝灰岩粉致使水泥用量明显减少，水化生成的C-S-H凝胶量过多减少，不利于增强基体与骨料间的黏结强度以及结构的整体性，水工混凝土相对动弹模量随着冻融循环的持续明显降低，质量损失率明显增大，抗冻等级也随之下降。此外，掺量相同情况下，M2-20组(凝灰岩粉比表面积450m2/kg)优于M1-20组(凝灰岩粉比表面积350m2/kg)的抗冻性能，说明细度越高则凝灰岩粉改善抗冻性能的效应越优。

2.2 抗硫酸盐侵蚀性

定义基准强度为标准养护同龄期受硫酸盐腐蚀试件的抗压强度，腐蚀后强度为受硫酸盐腐蚀干湿循环150次的试件抗压强度，水工混凝土掺凝灰岩粉的抗压强度和耐腐蚀系数，如图3所示。

图3 水工混凝土抗压强度与耐腐蚀系数

由图3可知，受腐蚀后J0基准组的抗压强度下降较多，其抗硫酸盐侵蚀性较差。水工混凝土掺比表面积350m2/kg凝灰岩粉后的抗压强度耐腐蚀系数明显高于J0组，这表明凝灰岩粉的加入有效增强了抗硫酸盐侵蚀性；控制掺量20%以内时，受腐蚀后水工混凝土抗压强度降幅随凝灰岩粉掺量的增加而减小，耐腐蚀系数不断上升；掺量超过20%时，其抗压强度耐腐蚀系数随凝灰岩粉掺量的增大明显下降。此外，掺量相同情况下，M2-20组(凝灰岩粉比表面积450m2/kg)的抗压强度耐腐蚀系数高于M1-20组(凝灰岩粉比表面积350m2/kg)，说明细度越高则凝灰岩粉改善抗硫酸盐侵蚀性能的效应越优。

2.3 微观孔结构

水工混凝土掺凝灰岩粉后的微观孔径分布参数如表3所示，孔结构受凝灰岩粉的影响特征如图4所示。

表3 微观孔径分布参数

由表3可知，掺20%比表面积350m2/kg的凝灰岩粉时，M1-20组的孔隙率较J0基准组减小了10.2%，该组的孔隙率也最低。此外，掺量相同情况下，M2-20组(凝灰岩粉比表面积450m2/kg)的孔隙率低于M1-20组(凝灰岩粉比表面积350m2/kg)。

宏观上，水工混凝土耐久性受孔结构的影响较大，结合相关研究成果将混凝土孔划分成多害孔、有害孔、少害孔、无害孔，所对应的孔径为≥200nm、50～200nm、20～50nm、＜20nm。由图4可知，掺20%及以下比表面积350m2/kg凝灰岩粉的水工混凝土组，其少害孔和无害孔体积占比之和明显高于J0基准组，究其原因是水工混凝土中掺凝灰岩粉有效增强了其抗硫酸盐侵蚀、抗冻抗渗性能；掺量提高到30%时，水泥减少带来的负效应高于凝灰岩的微集料正效应，致使多害孔和有害孔数量增加，抗冻等级也随之下降，但其抗硫酸盐侵蚀性、抗渗性仍高于J0基准组[11-12]。此外，掺量相同情况下，M2-20组(凝灰岩粉比表面积450m2/kg)的少害孔和无害孔体积占比之和低于M1-20组(凝灰岩粉比表面积350m2/kg)，说明细度越高则凝灰岩粉改善孔结构的效应越优，混凝土耐久性也就越好。

图4 孔结构受影响特征

3 结 论

1）控制比表面积350m2/kg凝灰岩粉掺量不超过30%，可以增强水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性和抗渗性；水工混凝土中掺20%以内凝灰岩粉时，其抗冻等级与基准组相当，掺量达到30%时其抗冻等级有所下降。

2）比表面积越大则凝灰岩粉填充水工混凝土小孔的效应越好，但填充大孔的效应较差，控制凝灰岩粉掺量20%以内时有利于优化混凝土孔级分配。

3）掺凝灰岩粉提高水工混凝土内少害孔和无害孔体积占比之和是其增强抗硫酸侵蚀性、抗渗性、抗冻性的内在原因。